结构抗震性能设计解读

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【摘要】对结构抗震性能设计中的4个结构抗震性能目标和5种结构抗震性能水准进行深入解读，对不同的结构抗震性能水准提出对应的计算、设计方法及注意事项。

【关键词】抗震性能化设计；抗震性能水准；弹塑性分析；加速度反应谱；时程分析

中图分类号： TU352.1+1文献标识码： A

0 引言：我国建筑抗震设计主要以下三部分组成：一、规范限定的适用条件；二、结构和构件的计算分析；三、结构和构件的构造要求。对于一个建筑物的抗震设计，当满足以上三部分要求时，就是符合规范的设计；当不满足第一部分要求时，就被称为“超限”工程，需要采取比第二、三部分更严格的计算和构造，以证明该建筑可以达到抗震设防目标。结构抗震性能设计着重于通过现有手段（计算及构造措施），是解决“超限”结构在中震和大震下的结构计算和设计的一种基本方法。结构抗震性能设计实现了结构抗震设计从宏观性的目标向具体量化的多重目标过度。

1 地震作用：由于建筑结构抗震设计是一个十分复杂的问题，有许多难点，例如：地震地面运动的不确定性；抗震设防水准及对地震作用的预估；地震作用下结构反应分析的正确性；对影响结构抗震性能因素的认识及所采取措施的有效性等。当前世界各国的建筑抗震设计主要采用以下两种方法。

（1）拟静力法---加速度反应谱法。它将影响地震作用大小和分布的各种因素通过加速度反应谱曲线予以综合反映，建筑结构抗震设计时利用反应谱得到地震影响系数，进而得到作用于建筑物的拟静力的水平地震作用。此理论接受度比较高，适用于大部分结构；由于此方法存在一定的不足，因此不太适用于“超限”结构的抗震设计。

（2）直接动力法---时程分析法。此方法根据建筑物所在地区的基本烈度、设计分组的判断估计、建筑物所在场地的类别，选择适当数量的比较适合的地震地面运动加速度的记录或人工模拟合成波等时程曲线，通过数值积分求解运动方程，直接求出建筑结构在模拟的地震运动全过程中的位移、速度和加速度的响应，进而进行建筑结构的抗震设计。这种发方法适用于特别重要、特别不规则的建筑及超高层建筑。

2 性能目标：结构抗震性能设计的基本思路是：“高延性，低弹性承载力”或“低延性，高弹性承载力”。受限于地震研究的现状，应以提高结构或构件的变形能力并同时提高抗震承载力作为抗震性能设计的首选。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》中相关条文规定，结构抗震性能目标分为 A、B、C、D四个等级,结构抗震性能分为1、2、3、4、5五个水准。每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应，详见表一。结构抗震性能水准可按表二进行宏观判断。

表一结构抗震性能目标

地震水准 性能目标

A B C D

多遇地震（小震） 1 1 1 1

设防烈度地震（中震） 1 2 3 4

预估的罕遇地震（大震） 2 3 4 5

表二各性能水准结构预期的震后性能状况

结构抗震性能水准 宏观损坏程度 损坏部位 继续使用的可能性

关键部位 普通竖向构件 耗能构件

1 完好

无损坏 无损坏 无损坏 无损坏 不需要修理即可继续使用

2 基本完好

轻微损坏 无损坏 无损坏 轻微损坏 稍加修理即可继续使用

3 轻度损坏 轻微损坏 轻微损坏 轻度损害

部分中度损坏 一般修理后才可继续使用

4 中度损坏 轻度损坏 部分构件中度损坏 中度损坏、部分比较严重损坏 修复或加固后才可继续使用

5 比较严重损坏 中度损坏 部分构件比较严重损坏 比较严重损坏 需排险大修

构抗震性能设计应分析结构方案的特殊性、选用适宜的结构抗震性能目标,并采取满足预期的抗震性能目标的措施。结构抗震性能目标应综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等各项因素选定。在实际工程中一般需要征求业主和有关专家的意见。

3 性能设计：不同抗震性能水准的结构可按下列规定进行设计。

1、第1性能水准的结构,应满足弹性设计要求。在多遇地震作用下,其承载力和变形应符合《高规》中有关规定;在设防烈度地震作用下,结构构件的抗震承载力应符合下式规定。

γGSGE+γEhS*Ehk+γEvS*Evk≤Rd/γRE(3-1)

式中: Rd 、γRE ----分别为构件承载力设计值和承载力抗震调整系数

SGE 、γG----分别为重力荷载代表值的效应和重力荷载分项系数

γEh、γEv ----分别为水平地震分项系数和竖向地震分项系数

S*Ehk、S*Evk----分别为水平地震作用标准值的构件内力和竖向地震作用标准值的构件内力。均不需要考虑与抗震等级有关的增大系数

第1性能水准的结构主要考察结构在中震下的抗震性能，即要求全部构件的正截面承载力和抗剪承载力均应满足“中震弹性”要求。

2、第2性能水准的结构,在设防烈度地震或预估的罕遇地震作用下,关键构件及普通竖向构件的抗震承载力宜符合式(3-1)的规定;耗能构件的受剪承载力宜符合式 (3-1)的规定,其正截面承载力应符合下式规定。

SGE+S*Ehk+0.4S*Evk≤RK (3-2)

式中: Rk ----截面承载力标准值,按材料强度标准值计算

第2性能水准的结构主要考察结构在中震或大震下的抗震性能，其设计要求与第1性能水准结构的差别是，在设防烈度地震和预估的罕遇地震作用下，框架梁、剪力墙连梁等耗能构件的正截面承载力只需要满足式(3-2) 的要求，即满足“屈服承载力设计”要求。

3、第3性能水准的结构应进行弹塑性计算分析。在设防烈度地震或预估的罕遇地震作用下,关键构件及普通竖向构件的正截面承载力应符合式 (3-2)的规定,水平长悬臂结构和大跨度结构中的关键构件正截面承载力尚应符合式 (3-3)的规定,其受剪承载力宜符合式 (3-1)的规定;部分耗能构件进入屈服阶段,但其受剪承载力应符合式 (3-2)的规定。在预估的罕遇地震作用下,结构薄弱部位的层间位移角应满足《高规》中第3.7.5条的规定。

SGE+0.4S*Ehk+S*Evk≤RK (3-3)

第3性能水准的结构主要考察结构在中震或大震下的抗震性能，允许部分框架梁、剪力墙连梁等耗能构件进入屈服阶段，竖向构件及关键构件承载力应满足式(3-2) 的要求，即满足“屈服承载力设计”要求。

4、第4性能水准的结构应进行弹塑性计算分析。在设防烈度或预估的罕遇地震作用下,关键构件的抗震承载力应符合式(3-2)的规定,水平长悬臂结构和大跨度结构中的关键构件正截面承载力尚应符合式 (3-3)的规定;部分竖向构件以及大部分耗能构件进入屈服阶段,但钢筋混凝土竖向构件的受剪截面应符合式 (3-4)的规定,钢-混凝土组合剪力墙的受剪截面应符合式 (3-5)的规定。在预估的罕遇地震作用下,结构薄弱部位的层间位移角应符合《高规》中第3.7.5条的规定。

VGE+V*Ek≤0.15fckbh0(3-4)

（VGE+V*Ek）-（0.25fakAa+0.5fspkAsp）≤0.15fckbh0 (3-5)

式中: V GE----重力荷载代表值作用下的构件剪力(N)

V*Ek ----地震作用标准值的构件剪力(N),不需考虑与抗震等级有关的增大系数

fck----混凝土轴心拉压强度标准值 (N/mm2)

fak----剪力墙端部暗柱中型钢的强度标准值 (N/mm2)

Aa----剪力墙端部暗柱中型钢的截面面积 (mm2)

fspk----剪力墙墙内钢板的强度标准值(N/mm2)

Asp ----剪力墙墙内钢板的截面面积 (mm2)

第4性能水准的结构主要考察结构在中震或大震下的抗震性能，关键构件承载力仍应满足式（3-2）的要求，即满足“屈服承载力设计”要求。允许部分竖向构件及大部分框架梁、剪力墙连梁等耗能构件进入屈服阶段，但构件的受剪截面应满足截面限制条件。

5、第5性能水准的结构应进行弹塑性计算分析。在预估的罕遇地震作用下,关键构件的抗震承载力宜符合式 (3-2)的规定;较多的竖向构件进入屈服阶段,但同一楼层的竖向构件不宜全部屈服;竖向构件的受剪截面应符合式 (3-4)或(3-5)的规定;允许部分耗能构件发生比较严重的破坏;结构薄弱部位的层间位移角应符合《高规》中第3.7.5条的规定。

第5性能水准的结构主要考察结构在大震下的抗震性能。与第4性能水准结构的差别在于允许比较多的竖向构件进入屈服阶段，并允许部分耗能构件（框架梁、连梁等）发生比较严重的破坏。尤其避免同一楼层的全部竖向构件进入屈服并宜控制整体结构的承载力不发生下降。

4 中震、大震时计算方法：

1、构件总体上处于开裂阶段或刚刚进入屈服阶段（对应第3性能水准）。可采用等效刚度和等效阻尼，按等效线性方法估算，即采用振型分解反应谱法计算地震层间剪力、进行地震作用效应的调整，计算竖向构件及关键部位构件的组合内力等。

2、构件总体上处于承载力屈服至极限阶段（对应第4性能水准）。宜采用静力或动力弹塑性分析方法估算。

3、构件总体上处于承载力下降阶段（对应第5性能水准）。应采用计入下降阶段参数的动力弹塑性分析分析方法估算。采用静力或动力弹塑性分析方法，主要在于发现结构在中震和大震下的承载力和变形规律，适合于对结构整体性能的把握，属于对结构的验证方法。

5 结语：结构抗震设计中应注重概念设计，轻精度计算；应重视结构的选型和平面、立面布置的规律，加强构造措施，优先选择抗震性能较好且经济合理的结构体系。在抗震设计时，应保证结构的整体抗震性能，使整体结构具有必要的承载力、刚度和延性。

参 考 文 献

JGJ 3-2010 《高层建筑混凝土结构技术规程》北京：中国建筑工业出版社，2010.

朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析.北京：北京建筑工业出版社，2013.

徐培福.傅学怡等.复杂高层建筑结构设计.北京：北京建筑工业出版社，2005.

韩小雷.季静.基于性能的超限高层建筑结构抗震设计—理论研究与工程应用，北京建筑工业出版社，2013.

作者简介：杨锁柱，工程师，一级注册结构工程师。